避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置及方法與流程
2023-10-10 17:05:19
本發明涉及光纖光柵錨杆測量領域，具體的來說，是指一種避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置及方法。
背景技術：
隨著光纖光柵技術的發展，光纖光柵錨杆的應用也愈加廣泛，其傳輸採用光作為信息載體，在其傳輸過程中，與電信號無直接的聯繫。在一些電信號無法到達的環境，如電磁幹擾、強輻射、易燃易爆、強腐蝕性的環境中有較為理想的效果。被廣泛地應用於民用工程、航空、船舶、電力、石油、建築物結構健康監測，光纖光柵錨杆與其他傳統的液壓式、電測式傳感器相比，更安全、穩定性更好、測量精度更高。而利用分布式光纖傳感技術，能夠實現對大面積檢測區域的網絡式布設，從而得到結構內部應力場分布隨時間的變化情況，而且可以實現全天無人值守環境下的遠距離監控。
目前，採用光纖光柵錨杆進行檢測的技術已趨於成熟。然而，在用錨杆進行檢測時，光纖光柵反射光波長在其所在環境的溫度發生變化時，由於熱光效應和熱膨脹作用，會發生相應改變。而光纖光柵對溫度和應變同時敏感，這種交叉敏感現象使光纖光柵錨杆在測量時，不能區分應變和溫度各自的變化量，導致光纖光柵錨杆在測量時的精確度很難提高。
有一些專利涉及採用錨杆結構來解決光纖光柵錨杆對溫度與應變交叉敏感問題：例如，在中國專利《一種溫度自補償光纖光柵錨杆測力環》(申請號：2013201368007)中，由於錨杆彎曲使處於其上下表面的兩個光纖光柵波長產生反向漂移，而溫度變化引起量光柵變化方向一致，故採用錨杆上下兩側的光柵波長差作為檢測信號，有效消除溫度變化的影響，但其採用的溫度補償方法僅適用於錨杆在上下兩個方向處的彎曲，而對其他情況下的彎曲無法檢測。在中國專利《光纖光柵腐蝕傳感器》(申請號：2013102048015)中，其在錨杆根部布設傳感器，首先製作水泥灌漿墊層，預留出保護溫度補償光柵的鋼管，並在錨杆上粘貼一個光纖光柵傳感器，對縱向應力的影響進行修正，構成整個溫度補償單元。但其溫度補償僅限於在錨杆無應變或者只有縱向應力的情況下，對於錨杆彎曲時，溫度補償光柵會隨之彎曲，而應力修正光纖光柵與溫度補償光柵的位置不對稱，無法對溫度補償光柵的應力影響進行修正。
技術實現要素：
本發明的目的是針對光纖光柵錨杆溫度和應變交叉敏感的問題，而提出的一種響應速度快、抗幹擾能力強、安裝空間小、可靠性高的避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置及方法，光纖光柵在整個錨杆形變時不受應變影響，能有效的區分測量時的溫度與應變，在不降低測量範圍的前提下，提高測量的精度。
為實現上述目的，本發明所設計的一種避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置，包括中空圓柱體結構的外部套管，其特殊之處在於，所述外部套管的兩端分別與左連接體、右連接套螺紋連接，所述左連接體包括左連接套、應變基座、應變傳遞體和溫度基座，所述左連接套、應變傳遞體分別與外部套管螺紋連接，所述應變基座、應變傳遞體和溫度基座位於外部套管的內腔中，所述溫度基座懸空放置，所述應變基座內設置有測量光柵，所述溫度基座內設置有參考光柵。
進一步地，所述錨杆測試裝置為若干個，前一個錨杆測試裝置的右連接套與後一個錨杆測試裝置的左連接體通過螺紋串接。由於在實際測量過程中，單根錨杆長度有限，無法進行大面積測量。首先，多個錨杆測試裝置可以通過雙側連接套將多根光纖光柵錨杆進行串行連接，進而構成分布式光纖光柵錨杆傳感網絡。根據每根光纖光柵錨杆傳回的中心波長信息，得到整個檢測區域的變化情況。其次，區域面積增大，區域各部分溫度分布不均勻，多個空腔結構可以測量多個點的溫度變化情況，對不同地點的光纖光柵錨杆的測量結果進行不同的處理。提高了大面積監測時的準確性。
更進一步地，所述測量光柵和參考光柵的光柵尾纖通過外部套管右部上端的通孔引出。多個錨杆測試裝置通過光柵尾纖引出光纖跳線，準確測量多個點的溫度變化情況。
一種根據上述避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆的測試方法，其特殊之處在於，所述方法包括如下步驟：
1)引出測量光柵和參考光柵的光纖跳線，接入解調儀中，測量得到測量光柵與參考光柵的中心波長值，由於是相同值，記為λ1；
2)使錨杆結構發生形變，通過解調儀，得到參考光柵與測量光柵的新的中心波長值，分別記為λ2、λ3；
則所述錨杆結構形變引起波長變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長變化為：λ2-λ1；
4)根據所述結構形變引起波長變化和溫度變化引起的波長變化計算所述錨杆結構的結構溫度變化ΔT和結構應變ε。
優選地，所述錨杆結構的結構溫度變化ΔT的計算公式為其中為光纖的熱膨脹係數，ζ為光纖的熱光係數。
優選地，所述錨杆結構的結構應變ε的計算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-Pe)]，其中，Pe為有效彈光係數。
本設計通過利用溫度補償的方法，對測量的結果補償。設計出溫度——應變處理結構，解決了光纖光柵錨杆測量過程中應力溫度交叉敏感的問題，同時採用串聯式錨杆——空腔結構，構成分布式傳感網絡，提高了測量的精度。
本發明的優點在於：相較於其他傳統的區分應變溫度的結構，本發明利用溫度——應變處理結構，對溫度的結果進行補償。結構簡單，解決了普通光纖光柵錨杆測量中溫度與應變交叉敏感的問題，以及在參考光柵處錨杆形變無法測量的問題，對應變測量精度更高。
附圖說明
圖1為本發明避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置的主視結構圖；
圖2為圖1中左連接體結構主視圖；
圖3為圖1中外部套管結構主視圖；
圖4為圖1中右連接套結構主視圖；
圖中：左連接體1(其中：左連接套1-1，應變基座1-2，應變傳遞體1-3，溫度基座1-4)，外部套管2，測量光柵3，參考光柵4，光柵尾纖5，右連接套6。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。
如圖1～4所示，本發明一種避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置，包括中空圓柱體結構的外部套管2，外部套管2的兩端分別與左連接體1、右連接套6螺紋連接，左連接體1包括左連接套1-1、應變基座1-2、應變傳遞體1-3和溫度基座1-4，左連接套1-1、應變傳遞體1-3分別與外部套管2螺紋連接，應變基座1-2、應變傳遞體1-3和溫度基座1-4位於外部套管2的內腔中，溫度基座1-4懸空放置，應變基座1-2內設置有測量光柵3，溫度基座1-4內設置有參考光柵4。測量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5通過外部套管2右部上端的通孔引出。外部套管2管壁上留有通孔並接有外連管。通孔和外連管的作用是用於光柵尾纖5的引出，以便於其他錨杆結構進行串接。外部套管2內圈為螺紋結構，以便安裝左連接體1和右連接套6。
如圖2所示，左連接體1包括左連接套1-1、應變基座1-2、應變傳遞體1-3和溫度基座1-4，其構成一個整體。左連接體1通過左連接套1-1和應變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內，應變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應變傳遞體1-3，外部套管2發生形變時通過左連接套1-1和應變傳遞體1-3把應變傳遞到應變基座上1-2，應變傳遞體的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管3內懸空放置，以消除應變對溫度的影響。應變基座1-2內布置有測量光柵3,溫度基座1-4包裹參考光柵4。
左連接體1通過左連接套1-1和應變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內，應變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應變傳遞體1-3，外部套管2發生形變時通過左連接套1-1和應變傳遞體1-3把應變傳遞到應變基座1-2上，應變傳遞體1-3的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管2內懸空放置，以消除應變對溫度的影響。中心波長相同的測量光柵3和參考光柵4分別放置於應變基座1-3與溫度基座1-4內，並串接。外部套管2強度大小與錨杆結構相同，保證其在受應力作用時形變量與錨杆相同。
應變基座1-2的兩端分別為左連接套1-1和應變傳遞體1-3，外部套管2發生形變時通過左連接套1-1和應變傳遞體1-3把應變傳遞到應變基座1-2上，應變基座1-2內布置有測量光柵3。
溫度基座1-3包裹參考光柵4，在整個系統形變時不受應力影響，使參考光柵4中心波長相對偏移量僅受溫度影響。
利用上述避免溫度與應變交叉敏感的光纖光柵錨杆測試裝置的測試方法，包括如下步驟：
1)引出測量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5的跳線，接入解調儀中，測量得到測量光柵3與參考光柵4的中心波長值，由於是相同值，記為λ1；由於熱脹係數相同，因而參考光柵4的溫度敏感係數與其他光柵相同，在未受到應變影響時，參考光柵4的中心波長偏移量不變，參考光柵4和測量光柵3由於中心波長相同，只產生一個反射信號。
2)使錨杆結構發生形變，通過解調儀，得到參考光柵3與測量光柵4的新的中心波長值，分別記為λ2、λ3；當光纖光柵錨杆受到應力作用，錨杆結構產生形變，置於其內部的溫度基座1-4無形變，參考光柵3與測量光柵4中心波長偏移不同，產生兩個反射信號λ2、λ3。
則錨杆結構形變引起波長變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長變化為：λ2-λ1；
4)根據結構形變引起波長變化和溫度變化引起的波長變化計算所述錨杆結構的結構溫度變化ΔT和結構應變ε。
假定參考光柵3與測量光柵4的波長漂移分別為Δλ1和Δλ2，那麼這兩個反射波長可以表示為：
式中，為光纖的熱膨脹係數，ζ為光纖的熱光係數，Pe為有效彈光係數，這樣就能把溫度和應變區分開來。
則錨杆結構的結構溫度變化ΔT的計算公式為其中為光纖的熱膨脹係數，ζ為光纖的熱光係數。
錨杆結構的結構應變ε的計算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-Pe)]，其中，Pe為有效彈光係數。
本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。